專利名稱：一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型純電控二維光束偏轉(zhuǎn)方法及裝置，適用于二維空間內(nèi)光束準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制，尤其適用于在小角度范圍內(nèi)光束的高精度偏轉(zhuǎn)控制，可廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光通信、光存儲等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)都是基于機(jī)械裝置(如萬向節(jié)等)通過改變光軸方向來實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、能耗高，連續(xù)偏轉(zhuǎn)時需要克服慣性的影響，性能受到很大程度的制約。1996年，Paul F. McManamon提出了一種全新的光束偏轉(zhuǎn)控制方法——光學(xué)相控陣，理論上可以很好的解決傳統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)所面臨的問題。該方法通過相位調(diào)制器件在光束波前施加一個傾斜相差來實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)。為減小相位調(diào)制器件需要實現(xiàn)的最大相位差，利用光波的正弦特性，即相位加減2 π的整數(shù)倍不會改變光場的遠(yuǎn)場分布，將斜線型傾斜相差通過2 π相位回卷法等效為一個鋸齒形閃耀光柵。根據(jù)此原理，光束偏轉(zhuǎn)角由光柵方程Sin(Qtl) = XcZA決定，其中θ ^為光束偏轉(zhuǎn)角，λ ^為工作波長，Λ為光柵周期。該方法核心器件即為目前通用的相位型液晶空間光調(diào)制器，通過控制液晶空間光調(diào)制器離散電極上的電壓分布來實現(xiàn)對入射光束的相位調(diào)制，通過構(gòu)造不同周期的閃耀光柵實現(xiàn)不同的偏轉(zhuǎn)角。光柵方程可以改寫為Sin(Qtl) = λ "(Nd)，其中N為一個光柵周期內(nèi)的離散電極數(shù)，d為離散電極有效尺寸。對于一個給定的液晶空間調(diào)制器，電極有效尺寸d為一個常數(shù)，因此，光束偏轉(zhuǎn)角直接決定于單個周期內(nèi)的離散電極數(shù)N。利用此原理，常規(guī)方法通過改變單個周期內(nèi)的電極數(shù)來實現(xiàn)不同的偏轉(zhuǎn)角，每一個可以取到的周期值對應(yīng)一個特定的光束偏轉(zhuǎn)角。但是，由于電極數(shù)N只能取離散的整數(shù)，因此，上述方法只能獲得一系列離散且分布不均勻的光束偏轉(zhuǎn)角，在視場內(nèi)存在很多掃描盲點，偏轉(zhuǎn)角度越大，可實現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角度間隔越大。自該技術(shù)被提出至今，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究，主要集中在光束偏轉(zhuǎn)效率、光束偏轉(zhuǎn)精度、液晶材料響應(yīng)時間等幾個方面，均取得了較大進(jìn)展，但是液晶空間光調(diào)制器實現(xiàn)的光束偏轉(zhuǎn)角離散且不均勻的問題仍然未得到有效解決，同時，絕大部分研究都是基于一維光束偏轉(zhuǎn)，尚沒有實用的、基于單片液晶空間光調(diào)制器的二維光束偏轉(zhuǎn)方法見于報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)光束偏轉(zhuǎn)角離散且不均勻的問題(如圖3所示)，本發(fā)明提供了一種基于單片液晶空間光調(diào)制器實現(xiàn)光束準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制的方法及裝置，并且，該方法及裝置可以實現(xiàn)二維范圍內(nèi)的角度偏轉(zhuǎn)，填補了目前基于單片液晶空間光調(diào)制器在二維光束偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域的空白。本發(fā)明利用單片液晶空間光調(diào)制器，利用一種新型驅(qū)動原理，能夠方便實現(xiàn)二維范圍內(nèi)光束準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制，實現(xiàn)的光束偏轉(zhuǎn)操作方便，精度高，角度分布均勻且準(zhǔn)連續(xù)(如圖5所示)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
本發(fā)明提供了一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，包括起偏器1，液晶空間光調(diào)制器2， 透鏡3、圖像傳感器4，計算機(jī)5，其中起偏器1位于液晶空間光調(diào)制器2之前用于產(chǎn)生偏振平行于液晶分子長軸的入射光，透鏡3位于液晶空間光調(diào)制器2之后，用于獲得遠(yuǎn)場光斑， 圖像傳感器4位于透鏡3之后用于采集光斑信息，液晶空間光調(diào)制器2、圖像傳感器4分別與計算機(jī)5連接。計算機(jī)和圖像傳感器可以實時采集和實時分析偏轉(zhuǎn)后的光斑。在本發(fā)明中圖像傳感器4及計算機(jī)5的主要作用是實時采集和分析偏轉(zhuǎn)后的光斑，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，當(dāng)不需要閉環(huán)回路控制時，可以不要圖像傳感器4，計算機(jī)5也可以使用集成度更高的芯片代替?！N新型二維光束偏轉(zhuǎn)控制方法，該方法包括下列步驟①、入射光經(jīng)起偏器1 (偏振方向平行液晶分子長軸方向)后垂直入射到未加載電壓的液晶空間光調(diào)制器2，出射光經(jīng)透鏡3到達(dá)位于焦平面的圖像傳感器4，記錄光斑位置。②、基于圖像處理的方法，通過閾值法或濾波處理，采用質(zhì)心法計算圖像傳感器上光斑的質(zhì)心位置。
權(quán)利要求
1.一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)裝置，包括起偏器(1)，液晶空間光調(diào)制器O)，透鏡(3)、圖像傳感器G)，計算機(jī)(5)，其特征在于，起偏器(1)位于液晶空間光調(diào)制器(2)之前，用于產(chǎn)生偏振平行于液晶分子長軸的入射光，透鏡(3)位于液晶空間光調(diào)制器(2)之后，用于獲得遠(yuǎn)場光斑，圖像傳感器(4)位于透鏡(3)之后用于采集光斑信息，液晶空間光調(diào)制器(2)、 圖像傳感器(4)分別與計算機(jī)( 連接。
2.一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于，該方法包含下列步驟①、入射光經(jīng)起偏器(1)后垂直入射到未加載電壓的液晶空間光調(diào)制器O)，出射光經(jīng)透鏡C3)到達(dá)位于焦平面的圖像傳感器G)，記錄光斑位置；②、基于圖像處理的方法，通過閾值法和濾波等處理，采用質(zhì)心法計算圖像傳感器上光斑的質(zhì)心位置；③、根據(jù)需要偏轉(zhuǎn)的角度計算液晶空間光調(diào)制器所需加載的相位圖；假設(shè)需要將入射光束偏轉(zhuǎn)(α，β)角度，其中α、β分別表示光束偏轉(zhuǎn)的方位角和俯仰角；根據(jù)下式計算得到(a' , β ‘)α ‘ = cot ^tan2 (a)+ tan2 (々)tan (β) tan (α)將α ‘作為方位角計算得到相位

圖1，將相位圖1旋轉(zhuǎn)β ‘角度，得到相位圖2，將相位圖2歸一化到液晶空間光調(diào)制器灰度范圍內(nèi)，得到最終相位圖3，具體步驟如下1)、根據(jù)水平維度的偏轉(zhuǎn)角α'，按照下式獲得一維分布的相位圖；2)、利用相位回卷法，將獲得的相位圖進(jìn)行2π相位回卷得到相位圖1 ；3)、將獲得的相位圖1旋轉(zhuǎn)角度β‘獲得相位圖2 ；4)、將相位圖2按歸一化到液晶空間光調(diào)制器灰度范圍內(nèi)，獲得最終相位圖3；④、將獲得的最終相位圖3加載到液晶空間光調(diào)制器上，在圖像傳感器上可以獲得偏轉(zhuǎn)后的光斑，利用步驟③中相同的方法，可以獲得偏轉(zhuǎn)后光斑的質(zhì)心位置(X，y)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于當(dāng)需要實現(xiàn)一維范圍內(nèi)光束偏轉(zhuǎn)時，直接根據(jù)需要實現(xiàn)的光束偏轉(zhuǎn)角計算獲得液晶空間光調(diào)制器需加載的相位圖，并不通過改變每個周期內(nèi)電極數(shù)來改變偏轉(zhuǎn)角以匹配期望獲得的偏轉(zhuǎn)角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于當(dāng)需要實現(xiàn)二維范圍內(nèi)光束偏轉(zhuǎn)時，根據(jù)期望偏轉(zhuǎn)角計算產(chǎn)生相位圖所需的兩個參數(shù)，根據(jù)所得的參數(shù)計算獲得最終二維分布的相位圖，將該相位圖加載到液晶空間光調(diào)制器，以實現(xiàn)二維光束偏轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于根據(jù)期望偏轉(zhuǎn)角計算獲得相位圖，計算所使用的參數(shù)是連續(xù)可控的，可獲得視場范圍內(nèi)任意角度的偏轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型二維光束偏轉(zhuǎn)方法，其特征在于該系統(tǒng)可以工作在開環(huán)狀態(tài)，也可以工作在閉環(huán)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新型純電控二維光束偏轉(zhuǎn)方法及裝置。該方法及裝置可以實現(xiàn)二維范圍內(nèi)的角度偏轉(zhuǎn)，填補了目前基于單片液晶空間光調(diào)制器在二維光束偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域的空白。本發(fā)明利用單片液晶空間光調(diào)制器，利用一種新型驅(qū)動原理，能夠方便實現(xiàn)二維范圍內(nèi)光束準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制，實現(xiàn)的光束偏轉(zhuǎn)操作方便，精度高，角度分布均勻且準(zhǔn)連續(xù)。由于產(chǎn)生相位圖的兩個參數(shù)α′、β′均為連續(xù)可控參數(shù)，因此克服了傳統(tǒng)方法中光束偏轉(zhuǎn)角度離散且分布不均勻的問題，并且提供了一種實現(xiàn)二維光束偏轉(zhuǎn)的簡易方法，填補了傳統(tǒng)方法在二維光束偏轉(zhuǎn)領(lǐng)域的空白。
文檔編號G02F1/29GK102289128SQ20111016147
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者劉澤金, 司磊, 周樸, 蔣鵬志, 許曉軍, 鄒永超, 陳金寶, 陶汝茂, 馬浩統(tǒng) 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)